基于柔性電子技術(shù)的康養(yǎng)家具設(shè)計?
——以頸椎矯正枕設(shè)計為例

白洪濤 熊先青 周卓蓉

（ 南京林業(yè)大學(xué)家居與工業(yè)設(shè)計學(xué)院，江蘇 南京 210037)

睡眠姿勢對人體健康有著至關(guān)重要的作用，一些 不良睡姿會引發(fā)頸椎和脊椎突變[1]。1～18 歲是人體發(fā)育和養(yǎng)成習(xí)慣的關(guān)鍵階段，保持良好的睡姿有利于身體發(fā)育。老年人由于身體機能下降，不良睡姿會引發(fā)心臟驟停等危險。而人在睡眠中，大腦處于休息狀態(tài)，無法有意識地調(diào)節(jié)睡姿，因此對睡姿進(jìn)行實時監(jiān)控并及時調(diào)整睡姿非常重要[2]。

人體在睡眠過程中可進(jìn)行機體復(fù)原、整合和鞏固記憶等工作，但是因自身因素和外界環(huán)境干擾往往會嚴(yán)重影響人們的睡眠質(zhì)量，特別在學(xué)習(xí)和工作壓力大的情況下更容易出現(xiàn)睡眠問題，而枕頭的舒適度和頸椎問題是影響睡眠質(zhì)量的兩大主要因素。近年來，頸椎病發(fā)病率越來越高。據(jù)調(diào)查顯示，相比于前十年，頸椎病患者人數(shù)增加了3～4 倍[3]。為解決頸椎病引發(fā)的睡眠問題，部分患者選擇購買矯正頸椎康復(fù)的產(chǎn)品，但由于使用較麻煩，且治療耗費一定時間，因此使用頻率較低。有些則選擇購買各類保健枕，通過機械式按摩來緩解頸椎痛感以助快速進(jìn)入睡眠狀態(tài)，由于人的身體結(jié)構(gòu)不完全相同，保健枕頭并不適合所有人使用，且按摩功能比較單一，很難達(dá)到治療效果。

基于此，本文研究設(shè)計一款可根據(jù)用戶身體結(jié)構(gòu)進(jìn)行外形尺寸自動調(diào)整的枕頭，用以支撐頸椎達(dá)到一個健康的生理曲度，預(yù)防和輔助治療頸椎病，從而保證用戶健康睡眠。

1 柔性電子技術(shù)內(nèi)涵及應(yīng)用情況

柔性電子是由柔性和電子兩種特性組成的，既具有一定的形變能力，又可滿足電子功能的需求，以柔性的方式對信息進(jìn)行獲取、處理、傳輸。柔性電子技術(shù)是在柔性基底上集成有機/無機材料電子器件的材料元器件，該技術(shù)已廣泛應(yīng)用于人造皮膚、柔性傳感器、柔性電池和柔性電子顯示器等方面，且在醫(yī)療保健、航空航天、軍事等領(lǐng)域取得了豐碩研究成果[4-5]。宋江等[6]研制了一種可檢測血液中的葡萄糖濃度及身體其他生理信息的柔性貼片傳感器，相比于傳統(tǒng)檢測設(shè)備具有創(chuàng)傷小、佩戴方便、降低副作用等優(yōu)點。

圖1 轉(zhuǎn)印技術(shù)工藝流程圖Fig.1 Transfer technology process flow chart

目前柔性電子加工只有超薄芯片轉(zhuǎn)移和柔性混合電子兩種路徑。其中從超薄芯片轉(zhuǎn)移是通過轉(zhuǎn)印技術(shù)將功能結(jié)構(gòu)（如硅晶圓等無機半導(dǎo)體材料）從施主基片黏附到圖章表面，再將功能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到受主基片上，如圖1所示。根據(jù)技術(shù)要求，圖章材料需具有較好的柔韌性和一定的黏附力，通常采用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）。因此不同界面間的黏附與脫黏過程是轉(zhuǎn)印過程的關(guān)鍵點所在。目前轉(zhuǎn)印方法主要包括控制分離速度法、表面改性法和犧牲層法等[4，7]。

柔性混合電子路線的核心技術(shù)是電子墨水材料技術(shù)，將具有電子功能的材料制備成墨水進(jìn)行印刷。該印刷方法具有工藝簡單且實用性強等優(yōu)點，不足之處是分辨率較低。針對此問題，崔錚[7]的科研團隊研發(fā)出一種新型混合印刷技術(shù)，不但將分辨率提高10 倍以上，且實現(xiàn)了卷對卷批量化印刷制造。

柔性電子技術(shù)使剛性的電子元器件柔性化，將人、機、物有效集成在一起，實現(xiàn)了功能擴展，對人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域的發(fā)展將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響[8]。根據(jù)已有報道，目前尚未將柔性電子技術(shù)融于枕頭設(shè)計，因此有必要研究運用柔性電子技術(shù)豐富睡眠枕的功能，提高人們的睡眠質(zhì)量。

2 用戶需求及頸椎矯正產(chǎn)品現(xiàn)狀調(diào)研

2.1 問卷調(diào)查法

本研究問卷調(diào)查采用隨機抽樣的方法，在江蘇省某高校隨機抽取480 名學(xué)生和120 名教師作為調(diào)查對象。調(diào)查目的是了解頸椎問題是否影響人們的睡眠以及頸椎按摩產(chǎn)品的使用情況。共發(fā)出調(diào)查問卷600份，收回了577 份，其中合格的調(diào)查問卷有556 份（男性有261 名，女性295 名），合格率為92.7%，具有一定的研究價值，見表1。

2019 年7 月由國務(wù)院發(fā)布的《健康中國行動（2019—2030年）》中建議成人每天的睡眠時間為7～8 h，正常的睡眠潛伏期應(yīng)為20～23 min[9]。而根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，有七成被調(diào)查者的睡眠潛伏期為20 min以上，且枕頭舒適度和頸背部不適成為主要原因；不愿意購買或較少使用頸椎治療儀的原因有使用較麻煩，浪費時間，治療效果不佳等；導(dǎo)致人們睡眠質(zhì)量差的原因有3 種：

1）枕頭在側(cè)臥和仰臥睡姿交替時不能對頸部達(dá)到合理支撐，導(dǎo)致與頭部和頸部的貼合度較低，舒適度降低。

表1 問卷調(diào)查內(nèi)容與統(tǒng)計結(jié)果Tab.1 Contents and results of the questionnaire

2）由于頸背部不適，導(dǎo)致無法盡快進(jìn)入睡眠狀態(tài)。

3）目前市場上治療頸椎的儀器，治療耗時，用戶經(jīng)常忘記使用。

2.2 文獻(xiàn)綜述法

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，對目前人們普遍選用的四類枕頭進(jìn)行分析，得出以下特點[10]，見表2。

枕頭的關(guān)鍵作用是托起頸曲, 使頸部肌肉、關(guān)節(jié)和韌帶得到放松，釋放頸椎關(guān)節(jié)所承受的壓力和負(fù)荷，減少頸椎病的發(fā)生。若枕頭過高, 任何睡姿都不能保持頸椎正常曲線弧度，頸背部的肌肉和韌帶處于緊張狀態(tài), 會出現(xiàn)頸背部酸痛、疲勞癥狀, 加重頸椎病。若枕頭過低,頭頸過度后仰, 由于頸椎沒有枕頭支撐，將會出現(xiàn)頸肩部酸痛，面部浮腫等癥狀[11-12]。

表2 各類枕頭特點Tab.2 Characteristics of various types of pillows

目前普遍使用的枕頭形狀和尺寸是固定的，為此，侯建軍等[13]在2013 年研發(fā)了一款可以手動調(diào)節(jié)適用于3 種睡姿高度的枕頭，其不足之處在于，當(dāng)人處于睡眠狀態(tài)時無法實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)枕頭高度。方季群[14]發(fā)明了智能化的設(shè)計方案，通過腦電波控制枕頭進(jìn)行自動變形。但根據(jù)專利說明書所述，該枕頭只能實現(xiàn)縱向升降，無法實現(xiàn)對頭部的橫向平移。侯建軍等[15]研究睡枕高度對仰臥位睡眠舒適性的影響，認(rèn)為仰臥睡姿時應(yīng)選用壓縮高度為6～7 cm的枕頭。但是由于人的頭部重量、頭部和頸部的尺寸各不相同，睡眠時枕頭被壓縮的高度也不同，因此不能變形或只具有較少高度變形的枕頭不適用于每一個人，為此，本文以保持健康的頸椎曲度為目的，設(shè)計一款可以根據(jù)用戶身體結(jié)構(gòu)自動調(diào)節(jié)尺寸的枕頭。

3 頸椎矯正枕設(shè)計實踐

3.1 設(shè)計要求

目前頸椎矯正枕的監(jiān)測模塊是根據(jù)人體睡姿計算頸椎高度，然后對枕頭內(nèi)機械結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，存在獲取的頸椎曲度數(shù)據(jù)不精確，只能實現(xiàn)縱向調(diào)節(jié)等問題。為保證用戶良好的睡眠質(zhì)量，本設(shè)計目的是監(jiān)測頸椎曲度和矯正不良睡姿，因此首先探索一種新的人機交互方式，通過監(jiān)測設(shè)備實時準(zhǔn)確地了解頸椎曲度，其次監(jiān)測設(shè)備不能對用戶睡眠產(chǎn)生任何干擾，枕頭內(nèi)的傳動結(jié)構(gòu)至少要實現(xiàn)橫向及縱向兩個方向的調(diào)節(jié)，以便于矯正人體睡姿。選用枕頭的表面材料必須適合安裝于機械傳動結(jié)構(gòu)上，使用時應(yīng)具有一定的舒適度。

3.2 設(shè)計方案

3.2.1 總體思路

采用柔性電子技術(shù)與機械傳動結(jié)構(gòu)相結(jié)合的設(shè)計方案，實現(xiàn)對頸椎曲度實時監(jiān)測和及時矯正的目的。其中，對監(jiān)測模塊進(jìn)行了柔性化設(shè)計，使其獲得的數(shù)據(jù)更加精確。對調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行分區(qū)化設(shè)計，以實現(xiàn)多方位調(diào)節(jié)。設(shè)計方案主要包括系統(tǒng)運行流程及柔性傳感器貼片和枕頭的內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中控制系統(tǒng)主要分為監(jiān)測模塊、控制模塊、電源模塊和調(diào)節(jié)模塊，如圖2 所示。

圖2 整體系統(tǒng)圖Fig.2 Overall system diagram

實踐過程中，將監(jiān)測模塊-柔性傳感貼片貼于用戶頸部后側(cè)，正常情況下，各導(dǎo)電顆粒間由于硅橡膠的阻隔形成絕緣勢壘，但頸部不同程度的彎曲將使各導(dǎo)電顆粒接觸的機會增加，于是導(dǎo)電鏈的數(shù)量也隨之增加，柔性傳感器內(nèi)的電阻值隨之減小。于濤[16]對炭黑/硅橡膠的性能進(jìn)行檢測，結(jié)果顯示電阻值會隨著拉伸量的增大而線性增加。監(jiān)測模塊將電信號傳至控制模塊，控制模塊將檢測模塊內(nèi)的電阻值，并與健康頸椎曲度所對應(yīng)的電阻值相比較，計算出調(diào)節(jié)模塊需要調(diào)節(jié)的角度，進(jìn)而控制調(diào)節(jié)模塊在一定時間內(nèi)使模塊內(nèi)的電動滾筒轉(zhuǎn)動至合適的角度，枕頭形狀也將隨著該電動滾筒的轉(zhuǎn)動而改變。

3.2.2 柔性傳感貼片設(shè)計

炭黑/硅橡膠具有柔韌、易變形和良好的力靈敏性特點，可作為傳感器敏感元件的一個優(yōu)質(zhì)選擇。葛運建等[17]基于導(dǎo)電橡膠的壓敏特性設(shè)計了一種柔性觸覺傳感器陣列，不但可以應(yīng)用于三維觸覺檢測，且能同時滿足三維和柔性測量的要求。但炭黑/硅橡膠也存在對外力敏感性較低、電阻-變形遲滯性等缺陷。對此，于濤[16]對炭黑/硅橡膠材料的電阻-變形性能進(jìn)行了分析及改進(jìn)，設(shè)計出一款可以實時檢測手指動作的手套。

由于人體頸椎的彎曲過程類似于手指彎曲，因此上述手套內(nèi)柔性傳感器的功能正是本研究設(shè)計監(jiān)測模塊所需。根據(jù)體壓阻效應(yīng)公式⑴可求出材料電阻Rv。

式中：Rm為導(dǎo)電炭顆粒的電阻; m為單位面積內(nèi)導(dǎo)電顆粒的數(shù)量; k為單位面積內(nèi)導(dǎo)電鏈的數(shù)量; t為每個導(dǎo)電鏈內(nèi)炭黑聚集體的數(shù)目; w為常數(shù); p為外界應(yīng)力。

令 q=kt2Rm/wm為壓阻系數(shù)，則材料電阻與外界應(yīng)力成倒數(shù)關(guān)系。如圖3 所示，可以根據(jù)電阻值Rv的變化推斷出頸部所承受的拉力（其中Rck為標(biāo)準(zhǔn)電阻，E為電源，Rv為炭黑/硅橡膠的電阻）[18-19]。由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有楊氏模量低、良好的延展性和耐腐蝕性以及易于與電子材料結(jié)合等優(yōu)點，因此可以選用為柔性感應(yīng)貼片的上下兩層基底材料，增加傳感器對微小應(yīng)力的傳感能力[20]。圖4 所示為柔性感應(yīng)貼片結(jié)構(gòu)，可將外力引起的電阻值變化轉(zhuǎn)變成電信號輸出。

圖3 分壓電路圖Fig.3 Pressure-sharing circuit diagram

圖4 柔性感應(yīng)貼片結(jié)構(gòu)Fig.4 Flexible induction patch structure

3.2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計

內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為升降區(qū)和平移區(qū)兩部分。枕頭平移區(qū)可實現(xiàn)頸椎橫向曲度的調(diào)節(jié)，當(dāng)柔性傳感貼片內(nèi)的電阻值顯示用戶的頭部歪睡在枕頭上時，平移區(qū)內(nèi)電動滾筒2 帶動從動滾筒3 同時轉(zhuǎn)動，慢慢地將乳膠平移層8 上層與頭部歪向的相反方向進(jìn)行平移，直至監(jiān)測到頸椎不再橫向歪曲。這種控制方法可避免用戶出現(xiàn)“落枕”現(xiàn)象[21]。

枕頭升降區(qū)的高低決定頸椎的縱向曲度，當(dāng)用戶采用仰臥或側(cè)臥時，若柔性傳感貼片內(nèi)的電阻值與健康頸椎曲度對應(yīng)的電阻值不相符，說明頸椎處于過度彎曲或過度伸直的狀態(tài)。于是通過電動凸輪式滾筒5的轉(zhuǎn)動來控制升降區(qū)的高低，直至把頸椎調(diào)整到一個健康的曲度，電動凸輪式滾筒停止轉(zhuǎn)動。選用合適的材料可提高產(chǎn)品的美觀性和使用舒適度[22]，乳膠具有美觀、支撐力強等特點，因此是本設(shè)計表面材料的理想選擇，收放乳膠層7 具有足夠的長度和相應(yīng)的收放空間，方便實現(xiàn)升降區(qū)上升到最高位置。

圖5 枕頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Pillow interior structure diagram

3.2.4 設(shè)計優(yōu)勢分析

通過詳細(xì)分析用戶睡眠過程中的頸椎變化，針對睡眠中的頸椎問題提出了合理化解決方案。本設(shè)計以用戶對產(chǎn)品的需求為核心[23]，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1）可根據(jù)使用者的身體結(jié)構(gòu)調(diào)整枕頭至合適尺寸，從而實現(xiàn)對頸椎的有效保養(yǎng)和矯正，受用人群較廣。

2）具有睡眠時矯正不健康睡姿的功能，可避免使用者出現(xiàn)“落枕”現(xiàn)象。

3）在睡眠中對頸椎進(jìn)行矯正保養(yǎng)，節(jié)省了大量頸椎保養(yǎng)與治療的時間。

4）監(jiān)測模塊僅為一個貼片，不但節(jié)約空間，而且不會使用戶產(chǎn)生任何不適感。

5）由于采用模塊化設(shè)計，便于在生產(chǎn)中通過機械設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)安裝[24-25]。

4 結(jié)語

擁有健康身體是當(dāng)代人們的首要追求。在家居消費中，智能家居所占比例正在逐年增加，其發(fā)展目的不只是為了方便人們生活，而是通過借助一些前沿技術(shù)，豐富傳統(tǒng)家居所具有的功能，使人們的身體更加健康[26]。本文所設(shè)計的頸椎矯正枕正是結(jié)合了新興的柔性電子技術(shù)，通過一個柔性傳感貼片實現(xiàn)了對頸椎曲度的監(jiān)測，相比于市場上其他矯正頸椎枕頭的監(jiān)測模塊，使用更方便，數(shù)據(jù)更精確。在枕頭結(jié)構(gòu)中大膽運用了機械傳動結(jié)構(gòu)，使枕頭所調(diào)節(jié)的方位更加全面。隨著柔性電子技術(shù)迅速發(fā)展，智能家居的發(fā)展不僅應(yīng)提高家具本體的智能化，還應(yīng)與人體穿戴設(shè)備巧妙地融合，拉近檢測模塊與人的距離，進(jìn)而更好地滿足人們對健康生活的需求。